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#超透镜 #大尺寸超透镜 #中远红外波段超透镜 #中远红外成像 #步进式光刻 

作者：Kai Sun*, Xingzhao Yan, Jordan Scott, Jun-Yu Ou, James N. Monks, Otto L. Muskens*  

Kai Sun, Jordan Scott, Jun-Yu Ou, Otto L. Muskens  

单位：Physics and Astronomy, Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of  Southampton, Southampton, SO17 1BJ, United Kingdom

关键词：超光学、超透镜、深紫外光刻、多波段

超光学，即超表面在光学系统中的应用，由于其在尺寸、重量和成本方面的优势，以及能够编程实现超越传统折射光学的光学功能，正在加速发展。基于高度可重复的半导体工艺技术的可扩展生产方法，使超光学从实验室阶段走向实际应用成为可能。本文介绍了一种通过深紫外光刻技术制造双面超表面的新方法，作为一种可立即投入生产的高质量超光学器件。我们实现了硅晶圆双面图案化，基于工具精度，其相互对准精度约为25 µm，无需晶圆缺口以外的晶圆对准标记。首个彰显双面设计优势的创新应用以双波段超透镜的形式呈现，该超透镜可在中波和长波红外波段独立控制焦距。

我们利用多光罩拼接技术，展示了一款直径40毫米、面积较大的超透镜，其宽带成像性能优异，在与氟化钡折射透镜的混合配置中使用时，可部分消除色散。我们的工作为红外超光学设计和双面超光学制造开辟了新途径，该技术可直接转化为可扩展的技术，应用于实际应用。

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引言
由亚波长纳米结构构成的超表面允许在光学响应方面进行工程设计，这些响应超出了大块材料的特性，包括幅度、相位、偏振和吸收。[1-4] 超表面光学，简称为超光学，近年来随着研究的进展，受到了极大关注，并且通常被称为“平面光学”，因为它的厚度基本上仅为纳米结构层及其基板的厚度，随着直径的增大，厚度保持不变。超光学，包括超透镜，在体积折射解决方案中可能具有高度的优势，特别是在尺寸和重量、材料选择、热稳定性以及机械稳定性方面，[5] 这些都是在航天和低外形平台（如智能手机和可穿戴设备）等应用中至关重要的参数。在过去的十年里，超光学在可见光范围[6-10]以及近红外和短波红外（SWIR）波段[11-15]中得到了广泛的研究，应用领域包括增强现实/虚拟现实、3D成像、人脸扫描、激光雷达和天文望远镜等。这个光谱范围内的超透镜主要是通过在透明基板（如玻璃/石英和蓝宝石）上形成非晶硅、氮化镓或二氧化钛纳米结构的层来制备的，纳米结构的制作是其中的主要挑战。

尽管大多数超光学实验室演示是通过电子束光刻[13, 16]和双光子激光写入技术[17-18]实现的，但在放大规模制造技术上也取得了越来越多的进展，如深紫外光刻[15, 19-20]和纳米压印光刻[21-22]。最新的发展显示出有前景的趋势，例如通过多次曝光拼接技术将超透镜的直径从几十微米[23]增大到100毫米，[24] 同时，基板尺寸也从几毫米的芯片增加到2024年的8英寸甚至12英寸的晶圆。[19-20] 还报告了多波段和多波长操作等新功能，以进一步提升超透镜的能力。[7, 25-27]

双面超透镜的研究集中在基板的每一面上都有一个超表面，因其提升的能力和性能而受到关注。[6, 10, 28-30] 与单面超透镜不同，双面超透镜在确保经过后续光刻步骤时纳米结构得以保留方面面临更多挑战。目前，已展示的工作仅包括通过电子束光刻制备的小直径可见光和SWIR超透镜，因为深紫外光刻在处理背面纳米结构时灵活性较差，并且对基板有严格的要求，例如翘曲和厚度变化，以实现指定的最小特征控制。

通过规模化生产技术制造的大直径红外超透镜，对于推动新兴的红外成像领域至关重要。红外成像因其在自动驾驶、道路安全、工业监测、气体传感、医学成像、建筑能效、野生动物监测、卫星地球观测、国防、安全以及空间应用等多个领域的日益广泛应用，正在获得显著的关注。LWIR（长波红外）和MWIR（中波红外）波段是两个关键的大气传输窗口，分别对应近室温黑体辐射峰值的LWIR和较高温度辐射的MWIR，以及若干气体（如甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、二氧化碳（CO2））的吸收波长。对于LWIR光学，大多数传统光学材料，如氧化物玻璃和聚合物，由于声子吸收而呈现不透明，因此传统解决方案通常采用单晶锗和硫族玻璃，如硫化锌（ZnS）和硒化锌（ZnSe）。这些材料要么成本高且难以获取（Ge），要么机械强度有限（ZnS和ZnSe）。对于MWIR光学，面临着类似的材料挑战。此外，锗透镜会出现热光焦距漂移，而ZnS和ZnSe透镜在抗热冲击方面存在局限，并且容易受到划伤。超光学可能提供一种成本效益高的替代方案，能够解决红外成像技术中的一些开放挑战。本研究中的工作为双面红外超光学提供了许多有前景的机会。

结果
1.2 使用深紫外光刻制造双面超光学
为了实现双面超光学的生产级制造，关键挑战是确保其与自动处理系统通过深紫外光刻（DUV光刻）和轨道系统的兼容性。所提出的方法在图1A中示意展示，关键元素是使用双硬掩模方法。工艺流程从在双面抛光（DSP）硅基板的两面生长亚1微米的SiO2层开始，通过热氧化进行（步骤1）。随后，DUV光刻在一个基板的表面进行，称为前表面（步骤2）。光刻之后，SiO2层通过等离子体刻蚀作为硬掩模，用于后续的硅刻蚀（步骤3）。在去除光刻胶后，晶圆被翻转，带有图案的前表面朝下，然后在另一个基板表面上进行第二次DUV光刻，称为背面（步骤4）。在此，SiO2层的厚度被关键性地选择为低于1微米，这使得图案化的SiO2结构与标准硅晶圆的未抛光面一致，且典型粗糙度低于1微米。DUV光刻和轨道系统能够直接处理图案化的SiO2面，无需任何修改。前后对准通过DUV光刻系统通过基板缺口识别来处理。然后，背面SiO2也通过相同的等离子体刻蚀进行图案化（步骤5）。经过此步骤后，最关键的光刻步骤已经完成，双面硬掩模SiO2层已成功图案化。随后，图案通过等离子体刻蚀在两步中从SiO2硬掩模转移到硅基板上，一步用于背面（步骤6），一步用于前面（步骤7）。硅刻蚀完成后，通过在缓冲氟化氢（HF）中进行湿法刻蚀去除两侧的SiO2硬掩模，留下双面超表面在硅基板上（步骤8）。所提出的方法能够制造大直径超透镜，超出DUV光刻工具的曝光尺寸限制（33毫米 × 25毫米）（Nikon NSR-204B扫描仪，248纳米DUV波长），通过多次曝光拼接步骤在预定义对准标记上进行（见附录S2，支持信息）。

图1. 通过深紫外光刻技术进行晶圆级双面超光学元件制造。(a) 使用深紫外光刻和等离子刻蚀技术制造双面超光学元件的工艺流程。(b) 在标记为V1-6的200毫米硅晶圆上制造的六代超光学元件的全集照片。(c) 以65°样品倾斜角拍摄的V5晶圆正面和背面代表性阵列的SEM图像。比例尺，5 µm。

图 1B 展示了我们团队制作的首批六块双面基板的照片，这些基板的超透镜直径和功能各不相同。制作的超透镜直径从几毫米到 40 毫米不等。本文将重点讨论晶圆 V4 – V6 的加工结果。图 1C 展示了加工后的正反两面扫描电子显微镜 (SEM) 图像。在本设计中，我们采用了空心柱，其最小特征尺寸约为 200 纳米，这得益于 248 纳米深紫外 (DUV) 制造工艺。两侧的蚀刻深度标称值为 3.5 微米，由于微负载效应，蚀刻深度会根据间隙大小而略有变化（见 S3 部分，支持信息）。即使对于单面超光学元件，此蚀刻深度也能满足中波红外波段的要求，而双面超光学元件的几何形状也能确保 7.0 µm 的总蚀刻深度满足长波红外波段相位控制的要求。

2.2 双波段超光学设计

为了展示我们双面超光学平台的功能，我们的目标是设计和制造一个同时在中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 波段工作的双波段超透镜。该功能通过对两个超表面进行联合优化实现，并利用商用仿真平台（RSoft Metaoptics Designer，Synopsys）通过严格耦合波分析 (RCWA) 生成的双向散射分布函数 (BSDF) 数据库进行计算实现。设计波长选择为：中波红外 4 μm 和长波红外 10 μm。测试了 1.8 – 2.6 μm 之间的晶胞周期，发现 2.2 μm 的周期在两个波长下均能提供良好的性能平衡。

作为基本设计概念，我们在单个单元格中使用两个独立的长度尺度来控制两个不同的波段。对称结构，如空心方形和十字形，允许超透镜在偏振方向上独立工作。与十字形相比，空心方形在每个单元格内提供了两个短轴谐振器，从而减少了在MWIR波段的衍射损失。通过使用四个长为L、宽为W的矩形段，且以偏移方式排列，我们在一个简单的参数化定义中实现了从空心方形到填充方形和十字形的过渡。

其中，Ax,y 表示图 2A 中所示的 x 或 y 方向的偏移量。我们将 L 从 0.2 微米变化到 1.8 微米，W 从 0.2 微米变化到 0.9 微米，固定的支柱高度为 3.5 微米，得到如图 2B 所示的图谱，分别在 4 微米和 10 微米波长下，展示了单个硅-空气界面上的周期性超表面阵列的透射和相位图。在 4 微米波长下的相位图跨越了多个 2π 阶数，即使只使用单层超表面，设计条件也有很大变化。虽然如此大的相位多样性是实现两个波段内光学相位独立控制所必需的，但强烈的变化会增加对制造公差的敏感性，并导致性能在波长上的依赖性增加。我们还观察到，在参数空间中有相当大的区域，在 4 微米波长下的透射率较低，特别是对于较大的填充方形，这是由于设计原则的失效，需要至少一个小的长度尺度与波长相比。对于 10 微米波长，透射率总体较高，范围在 85%-96%之间，而光学相位大致覆盖了所需的 2π 范围的一半，因此需要使用两个超表面侧面来实现其完整的光学功能。

由于超表面优化优先考虑透镜透射率而非所需的点扩展函数，因此在损失理想相位响应的一定惩罚范围内，它应该向透射率更高的区域收敛。图2D显示了一个示例，该图绘制了数据库中每个元件在直径40 mm、元件数为3.2×108的双波段透镜中被选中的概率P。结果显示在正面，背面也获得了非常相似的结果（图S9，S5部分，支持信息）。总体而言，优化算法主要选择了空心方块（56.6%），其次是实心方块（41.1%），以及极少数十字形（2.3%）。概率较高的区域和最容易被避免的区域可以在参数图中定位。设计中通常需要位于参数空间右侧的较大环，以获得长波红外 (LWIR) 的更高光学相移，但代价是牺牲一些中波红外 (MWIR) 透射率。

图 2. 工作波长为 λ = 4 和 10 μm 的双面双波段超透镜设计。（a）设计空间的定义，周期为 P、长度为 L 和宽度为 W，并按照公式 1 从空心和实心正方形过渡到十字形。（b、e）设计空间显示在 4 um（b）和 10 um 两个波长 λ 下的透射和相位响应。虚线表示形状之间的过渡。（c）大面积双波段超透镜 (V5) 中每个设计元素的选择概率（对数尺度）。（d）。（d、e）设计空间的相位 p4um 和 pioum 参数图。（f）小直径（2 mm）F/2 透镜的示例相位轮廓（象限），显示在 λ = 4 um 和 10 um 时生成的正面和背面轮廓。比例尺为 0.5 mm。

在优化过程中选择的元素的多样性表明，双波段设计需要大量的设计空间，以便同时满足两个波长的相位组合。展示这一空间的另一种方式是通过参数散点图，展示每个元素在 4 微米和 10 微米波长下的光学相位 ϕ4µm 和 ϕ10µm，如图 2E 所示。在这里，我们看到对于单一超表面，确实可以涵盖 ϕ4µm 和 ϕ10µm 的广泛组合。每个数据点还根据其在 4 微米波长下的透射率进行颜色编码，以展示低 MWIR 透射率区域（蓝色数据点）。与单面超光学相比，双面超光学允许通过为每一面选择相位元素的适当线性组合来构成不同的相位组合，考虑到基板内的波传播，从而为双波段设计提供比单面超光学设备更广泛的选择范围。图 2F 显示了一个双面优化设计的典型示例，展示了小直径 2 毫米透镜在 4 微米和 10 微米波长下的光学相位轮廓。选择小直径是为了能够解析单个环，但对于更大直径的透镜，结果非常相似。10 微米的相位轮廓类似于传统透镜的双曲相位轮廓，每一面大约有一半所需的相位，而 4 微米的相位轮廓显示了更多的环，具有变化的相位，这些相位不能轻易地追溯到某一特定的功能形状。

2.3 可独立控制焦距的双波段超透镜的制作

利用2.2节中的超表面数据库，我们开发了一组直径为12.5 mm的双波段超透镜。我们比较了三种不同的设计，其中，在4 μm波长下，我们选择25 mm（f值F/2）的固定焦距；在10 μm波长下，我们选择20 mm、25 mm和30 mm的焦距，从而分别获得F/1.6、F/2.0和F/2.4的f值。图3A展示了该设计方案，其中三种长波红外聚焦条件分别用蓝、绿、红三色进行颜色编码。不同的透镜设计均可安装在单个25 × 33 mm²的光罩上，以便在同一晶圆上进行制造，从而消除了不同设计之间制造参数的任何差异。图 3B 显示了制造的晶圆的正面和背面，其中包含 100 多个独立的超透镜。

使用反向配置的玻璃上的1951 USAF正向测试目标确定中波红外（MWIR）范围内的焦距，其中超透镜用作成像物镜，消色差相机镜头用作筒镜。照明光源为450°C下氮化硅薄膜黑体光源发出的光，使用一组中心波长分别为3.25、3.75、4.25和4.75 µm、每个滤光片带宽为0.5 µm的带通滤光片进行光谱滤波。图3C显示了第3组（元件1和2）在λ=4.25 µm处得到的图像。本研究中，所有图像均应用了高频增强滤光片，作为一种非常简单的雾霾校正方法，无需事先了解超透镜（S6部分，支持信息）。如图 3D 所示，该滤光片将 MTF 中低于 3 线/毫米的低空间频率成分抑制到最低，从而降低了零阶透射和色差引起的模糊。更先进的去雾算法可以实现，但超出了本演示的范围[42]。

由于 USAF 基底的透光率不足以支持其在较长波长下使用，因此通过直接成像 2.1×1.8 mm² SiN 光源本身的表面来确定长波红外 (LWIR) 下的焦距。所用带通滤光片的中心波长分别为 9、10、11 和 12 µm，带宽为 0.5 µm，其中 10 µm 波长的结果如图 3C 所示。其他结果取自不同的光谱滤光片（图 S16，S7 部分，支持信息），从而得到了焦距 f 与波长的关系，如图 3E 所示（数据点）。

显然，这三种不同的透镜在长波红外波段产生不同的焦距，因此测试图像的放大倍数也不同，而在中波红外波段，焦距保持不变。这一实验证据证实，这些透镜可成功用作双波段中波红外/长波红外光学元件，能够独立控制焦距，并在两个波段均获得高质量的图像。我们可以将这些结果与模型设计直接进行比较，方法是将模拟的轴上强度与距离z的关系绘制成每个评估波长的彩色图。此处，色标表示强度相对于每个波段的最大值进行归一化。长波红外波段三种不同焦距的模拟结果分离良好，可以叠加以便于可视化，单独的结果显示在图S12-S14（S7部分，支持信息）中。我们还使用直径为50 µm 的光圈（位于对应于每个波长最大轴上强度的距离处）进行了模拟，并计算得出了绝对聚焦效率η，并将其绘制在图3E的顶部面板中。我们可以看到，设计的透镜在λ=4.0 µm时实现了约35%的峰值效率，光谱带宽在此最大值附近±0.25 µm。相比之下，长波红外（LWIR）的效率更高，在10 µm时达到η=50%，光谱带宽在此最大值附近超过±1 µm。除了效率下降之外，我们还观察到，对于未进行色差校正的衍射光学元件，焦距与波长的1/λ相关性是预期的。

为了测量绝对聚焦效率，我们使用了波长为 10.8 µm 的 CO2 激光器，并结合了 200 µm 的针孔（图 S17，S7 部分，支持信息）。这三款透镜的绝对透射率均为 46%，相对聚焦效率在 50%-55% 之间，因此绝对聚焦效率为 23%-26%。图 3E 中的数值设计模拟表明理想效率约为 30%，对于 50 µm 以上的收集孔径，该效率基本保持不变。因此，我们的透镜在长波红外波段的性能在预期的效率范围内。

图3. 已制备半英寸超透镜的光学特性。(a) 双波段超光学概念示意图，可独立控制中波和长波段的焦距。(b) 双面超光学晶圆正面照片，背面如插图所示。一块晶圆包含110个直径为12.5 mm的独立透镜。(c) 使用1951 USAF测试靶（第3组）和MEMS光源作为成像对象，对三个具有相同设计焦距（λ = 4 µm）和不同焦距（λ = 10 µm）的超透镜进行光学特性分析。(d) 设计超透镜的计算MTF（蓝色）与4.0 µm处的理想（无像差）MTF（红色）的比较。绿色曲线表示使用 3 线/毫米截止频率的高通滤波来减少雾霾背景的 MTF 校正。(e) 实验测量的焦距（符号）与从中波和长波波段模拟中提取的强度（色图）的比较。(e) 中的上图是焦点周围 50 µm 直径范围内模拟的聚焦效率 η。

2.4 大面积双面超光学演示器

在成功演示直径为 12.5 mm 的双面超光学系统后，我们继续将超光学系统的直径增加到 40 mm。尺寸的增加需要采用

多重曝光拼接方法，该方法每侧使用单个光罩实现，如图 4A 所示，水平写入区用橙色表示，垂直写入区（旋转超过 90°）用绿色表示。光罩本身由位于区域两个相对角的超光学系统的两个象限组成（S2 部分，支持信息）。

通过与晶圆上特定位置的预定义对准标记对准，可以实现精确曝光，从而方便晶圆旋转后曝光写入区的对准。在本例中，前后对准也是通过基板凹槽进行的，但在光刻步骤中，用于在两侧定义对准标记。对于40毫米超透镜，我们设计了两种方案，一种用于中波红外/长波红外双波段（图1b中的V5），另一种用于长波红外单波段（图1b中的V6）。图4B展示了最终晶圆（V5，双波段）的正反两面，其中包含9个独立的大面积超透镜。如图4C所示，多光罩拼接的精度小于100纳米，图4C展示了超透镜中心（V5）的放大扫描电子显微镜（SEM）。中心空心正方形被分割成四个象限，这些象限在空心正方形的边缘内完美匹配，从而形成了边界清晰的复合结构，边缘仅有极小的曝光不足，导致拼接点周围出现非常细微的（<100纳米）凸起。

超光学组件采用激光切割从晶圆上切割下来，并安装到单独的T型接口镜头支架中，留出38毫米的自由光圈，如图4D所示。然后，通过将各个超透镜安装到商用中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)相机上作为主聚焦镜头，可以表征成像性能。这些单独的超光学组件现在可以轻松集成到商用中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)光学系统中，并用于实际的热成像测试。图4F-H和图4K-M展示了实验室台架测试的结果，展示了同一目标物体上的MWIR和LWIR性能。该目标物体是一个设计有发射率对比度的基板，其形状为南安普顿大学的徽标，宽度约为5厘米，位于距离相机35厘米处。更多详细信息请参见S8部分“支持信息”。目标安装在加热板上，加热至140°C。 40 毫米元光学元件的出现使得能够与最先进的光学成像镜头进行真正的同类比较。

图 4F 和 K 分别展示了我们中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 相机商用镜头的成像结果。由于这些多元件镜头拥有卓越的构造和消色差性能，这些结果代表了“真实情况”。对于中波红外 (MWIR)，在镜头前方放置了一个直径 2 英寸、3.6 µm 的长通滤光片，以将响应限制在与超光学元件相同的范围内。为了更好地与超光学元件的视场进行比较，将长波红外参考图像裁剪至 F/1.5（原始图像 F/1）的感兴趣区域。图 4G 所示的双波段超光学元件能够在其中波红外光谱波段生成高质量的图像，字母清晰可辨，但由于镜头的色差，预计会出现一些模糊和雾霾。图 4H 展示了单波段镜头的结果。

显然，缺乏 MWIR 功能会导致 MWIR 图像完全丢失，相比之下，这更凸显了双波段镜头的卓越性能。

对于长波红外响应，我们利用低F值非制冷相机提供的自由度，通过使用混合折射和超光学透镜对来提高成像质量。我们利用BaF2透镜与超光学透镜色散符号相反的特性，从而允许在降低F值的同时部分校正色差，如图4I和J中的配置所示。此处，直径25mm的BaF2透镜是透镜对中较小的一个，位于距离相机最近的位置，在图4J中距离焦平面阵列(FPA)约21mm。图4L和M分别展示了双波段和长波红外超光学透镜的成像结果。我们可以清晰地分辨出印刷字母以及盾牌标志的特征，精度可达1mm。相比之下，仅使用超透镜生成的图像（图S20，S9部分，支持信息）由于色差而显得模糊。其他短程成像演示请参阅第 S10 节“支持信息”。

使用如图 4N-P 所示的长波成像系统进行了进一步的户外测试。整体场景（图 S23，S11 部分，支持信息）显示了 10 米（人）、25 米（树枝）和 150 米（屋顶线）距离处的特征。图 4N 中商用相机镜头的结果可以直接与双波段超光学系统（图 4O）和仅长波红外设计（图 4P）的结果进行比较，两者均采用 BaF2 折射/超光学混合配置。我们注意到，单波段长波红外超光学系统的性能优于双波段镜头，考虑到设计两个独立工作波长的权衡，这在预期之中。在这两种情况下，三个距离处的特征均可识别，从而验证了超光学系统在 150 米范围内的运行。

图4. 40 mm 大直径超透镜经多重拼接曝光后的实际热成像性能。(a) 使用单个 DUV 光罩进行 90° 晶圆旋转的多重曝光拼接布局。(b) 生产的双面超光学晶圆正面照片，包含 9 个直径 40 mm 的完整透镜，插图为晶圆背面。(c) 透镜中心的 SEM 图像，显示拼接场的质量（比例尺，5 µm），插图为缩小区域，根据 (a) 中的曝光量，用颜色编码字母 A-D 表示不同的象限。(d) 从晶圆上激光切割并安装在光学支架（T 型接口）上的超透镜照片，清晰孔径为 38 mm。(e) 中波红外 (MWIR) 波段的 F 数与波长的关系。(f-h) 超透镜性能与最先进的商用中波透镜性能的直接比较。 (i) 长波红外 (LWIR) 的 F 值与波长的关系。

(j) 混合超透镜 - 折射 BaF2 光学系统的排列。(j-l) 超透镜性能与最先进的中波商用透镜的直接比较。(f-h) 和 (j-l) 使用加热至 140°C 的目标物体获得。(n-p) 使用混合 BaF2 和超光学化合物在长波红外进行户外成像演示，细节范围从 10 米到 150 米。

表 1. 超透镜干涉测量表征

大面积双面超光学进一步采用了多种常用于折射光学系统的工业方法进行表征，详细信息见附录S13，支持信息。结果总结在表1中，涵盖了3.39 µm和9.24 µm波长下的均方根（RMS）波前误差、峰谷比（PV）、斯特雷尔比（Strehl比）、散光、像差和球面像差，分别对应MWIR和LWIR波段，这些波长是根据现有激光源选择的。对于双波段超透镜，其MWIR性能的特点是较低的峰谷比（0.24 λ）和较高的斯特雷尔比（0.90），这超过了典型的峰谷比<0.25 λ和斯特雷尔比>0.80的阈值，因此表明该双波段超透镜是衍射极限的，即其光学性能受基本物理规律支配，而非由缺陷决定。其RMS波前误差为0.051 λ，表明该超透镜有轻微的残留缺陷，这可能来自散光、像差和球面像差。其LWIR性能的RMS为0.042 λ，峰谷比为0.28 λ，斯特雷尔比为0.93，同样为衍射极限。与9.24 µm波长下的双波段超透镜相比，LWIR超透镜具有更低的RMS、更低的峰谷比和更高的斯特雷尔比，同时还具有较低的散光、像差和球面像差。LWIR超透镜在实际成像中的优越表现与其在表征中展现出的优秀值相吻合（见图4P和O）。

3.结论

总之，我们报告了一种新颖的方法，用于制造晶圆级双面超光学，完全兼容自动深紫外（DUV）扫描光刻系统和轨道系统。基于这种制造方法，我们展示了具有独立焦距控制的双波段MWIR/LWIR超透镜。此外，我们还进一步展示了通过多次曝光拼接方法，可以制造40毫米大直径双面超透镜，支持双波段和单波段操作，从而克服了DUV曝光场的限制。通过将制造的超透镜集成到成像系统中进行实际热成像，验证了其性能。干涉测量结果显示，这些超透镜是衍射极限的，具有最小的像差和波前缺陷。

所提出的双面超光学制造方法为红外超光学设计开辟了一条新路径，并推动了双面超光学制造的规模化生产。双面超光学为多功能设计提供了扩展的设计空间，例如本研究中展示的双波段设计，或者可以容纳蛾眼抗反射涂层、双透镜或像差超校正器。所展示的双面光刻技术与其他超光学规模化制造技术兼容，如纳米压印光刻和直接激光写入，这将推动超越现有能力的创新设计和结构。

实验部分/方法
超透镜设计：双面超透镜使用 RSoft 光子设计工具（Synopsys）在一台配备 512GB 内存的双处理器 Xeon Gold 6148 2.40GHz 工作站上进行设计。单元格的设计使用 RSoft CAD 环境进行，随后通过 DiffractMOD 模拟工具中的严格耦合波分析（RCWA）模拟双向散射分布（BSDF）函数，利用多变量优化和扫描工具（MOST）上的 32 个节点进行并行处理。模拟的入射角范围从 0° 到 60°，步长为 15°，MWIR 波段的波长范围为 3.0 - 5.0 微米，步长为 0.1 微米，LWIR 波段的波长范围为 9.0 - 12.0 微米，步长为 0.2 微米。单元格使用四个相同大小的矩形硅柱建模，每个柱的长轴长度范围为 0.2 - 1.8 微米，短轴宽度范围为 0.2 - 0.9 微米。根据偏移参数和长宽比，这些柱子被安排成方形或十字形，如图 2 所示。单元格的周期在一系列模拟中变化，从 1.6 微米到 2.6 微米，最终发现最佳周期为 2.2 微米，以获得最佳的整体性能。柱子结构的垂直高度设置为 3.5 微米，以符合我们工艺中可实现的刻蚀深度。LWIR 单独设计的周期和高度分别选择为 2.6 微米和 4.0 微米，这是针对 10 微米波长设计的进一步优化结果，考虑到没有 MWIR 设计目标，并在实验工艺开发过程中对刻蚀深度做了轻微的改进。超透镜是从生成的 BSDF 数据库中使用 MetaOptics Designer 仿真工具设计的，目标目标是轴向 Airy 点聚焦。选择了一个强烈偏向于实现高绝对透射效率的强度差度量，并且较少关注匹配 Airy 轮廓的准确形状。仿真使用了吸收边界条件，并考虑了双面超透镜结构内的局部传播角度。这些参数被发现能产生接近衍射极限的聚焦点，同时具有良好的 MTF（调制传递函数）质量，并且绝对聚焦效率受到数据库中可用自由度的限制。生成了超透镜两面的 GDS-II 输出，并使用 KLayout 进一步处理，加入了对准标记、扫描电镜条纹、前后错位比例以及几个其他测试结构。深紫外光刻掩模通过 MacDermid Alpha 电子解决方案制造。

深紫外光刻超光学制造：这里，制造过程流图是针对具有曝光拼接的40毫米超透镜。超透镜的制造始于在双面抛光的200毫米硅基板上通过湿法氧化在1000°C下生长800纳米的SiO2。通过尼康NSR-S204B深紫外扫描系统和TEL Track（自动化光刻胶涂布与显影系统），在硅基板的正面定义了对准标记，随后通过等离子体刻蚀将其转移到SiO2层中。随后，使用相同的深紫外和等离子体刻蚀工艺，也在硅基板的背面定义了对准标记，深紫外正反面对准通过缺口识别完成。对准到定义的对准标记后，进行深紫外步骤，并可选择是否对基板进行90°旋转。图案通过使用氟化学刻蚀的ICP等离子体刻蚀转移到硬掩模SiO2中。去除光刻胶后，背面SiO2硬掩模也通过相同的深紫外光刻和等离子体刻蚀工艺进行处理。经过硅基板两侧的SiO2硬掩模初步制备后，使用ICP等离子体刻蚀（SF6和C4F8）将Si柱阵列从SiO2阵列中转移过来，先在一侧，然后在另一侧。刻蚀深度通过刻蚀时间进行控制，SEM图像见附录S3，支持信息。刻蚀完成后，使用O2等离子体处理去除在硅刻蚀过程中形成的聚合物。最后，使用7:1的缓冲氟化氢酸（HF）去除两侧的SiO2硬掩模。

红外测量：宽带响应使用黑体光源（Axetris EMIRS200，活跃区域为1.8×2.1 mm²）进行测量。短焦距超透镜的测量采用反向配置，其中超透镜作为目标物体的成像物镜。目标物体为EMIRS光源本身或1951年美国空军目标。使用匹配每个特定相机的消色差成像透镜将收集到的图像投射到相机上。对于MWIR波段，我们使用了CEDIP/FLIR Titanium SC7300相机，分辨率为320×256像素，像素间距为30微米。MWIR波段的匹配相机镜头是50毫米焦距的Janos Technologies Nyctea F/2.3镜头（型号40679，波长为1.5-5微米）。对于台式演示器，我们使用了3.6微米、50毫米直径的红外长通滤光片（Edmund Optics）来限制光谱范围。对于LWIR波段，我们使用了FLIR A655sc无冷却相机，分辨率为640×480像素，像素间距为17微米。匹配的相机镜头是FLIR镜头（型号T197922，焦距24.6毫米，F/1，视场角25°）。用于焦距表征的光学设置示意图见附录S16，支持信息。

超透镜性能的定量测试：表1中的MWIR性能是通过3.39微米波长的相位调制Michelson干涉仪进行测量，默认光圈大小为50毫米。LWIR性能通过长波Twyman-Green干涉仪测量，默认光圈大小为250毫米，配备9.24微米的CO2气体激光器。关于这些测试的讨论见附录S13，支持信息。

S1. 关于超透镜制造的选定文献概述，重点关注大面积、双波段和红外范围

*：方形，WL：波长
玻璃：玻璃代表熔融二氧化硅、石英和玻璃基板，a-Si：非晶硅，Si：晶体硅。
可见光：可见光，NIR：近红外，SWIR：短波红外，MWIR：中波红外，
LWIR：长波红外，DUV：深紫外光刻，EBL：电子束光刻，2-photon：双光子光刻，接触：接触光刻，NIL：纳米压印光刻。

S2. 多次曝光拼接
设计了两个掩模，一个用于正面，另一个用于背面，如图S1所示。对于标记为A的正面，包含了一个设计的40毫米直径超透镜布局的四分之一部分。理想情况下，一个四分之一部分可以通过旋转来实现完整的透镜。然而，我们的深紫外光刻系统仅具备90度旋转的能力。在这里需要注意的是，DUV掩模只能以一个方向加载，因为掩模边缘有额外的图案用于机器识别。因此，需要两个四分之一部分才能实现完整的圆形透镜布局。此外，右上角和左下角还有误对准测量图案和两个对准标记图案，用于定义超透镜曝光的对准标记及其旋转曝光。对于标记为B的背面，超透镜图案采用相似的布局，但进行了镜像处理。

图 S1 多次曝光超透镜设计的掩模布局（直径40毫米）（a）正面和（b）背面。

多次曝光策略如图 S2 所示，涉及六个光刻步骤，使用两个掩模和基板旋转功能。首先，在基板正面边缘区域定义对准标记，如图 S2(a) 所示，超透镜将在这些区域外设置。其次，在基板背面定义对准标记，并采用镜像样式（图 S2(b)），通过晶圆缺口进行对准。第三，在正面基板的预定位置定义超透镜布局（两个四分之一），并通过对准控制确保与预定义的对准标记对齐（图 S2(c)）。第四，使用相同的掩模，在基板旋转90°的情况下定义另外两个四分之一的超透镜布局，并同样通过对准控制确保与预定义的对准标记对齐（图 S2(d)）。第五，背面布局按照相同的方式处理，通过背面对准标记在背面定义两个四分之一（图 S2(e)）。第六，通过基板旋转90°定义其余两个四分之一（图 S2(f)）。在这里，设计必须进行镜像处理，以反映不同面上相应旋转方向的相反位置。

图 S2 多次曝光拼接工艺流程示意图。（a）在基板正面定义对准标记，（b）在基板背面定义对准标记，（c）超透镜布局在正面部分曝光，（d）超透镜布局在正面部分曝光并旋转基板90°，（e）超透镜布局在背面部分曝光，（f）超透镜布局在背面部分曝光并旋转基板90°。

S3. 扫描电子显微镜图像
图 S3 展示了一个刻蚀测试晶圆的横截面 SEM 图像，图中显示了 SiO2 硬掩模覆盖在硅柱上的情况。在图 S3(a) 的正面，刻蚀深度从 3.24 微米变化到 3.64 微米，平均刻蚀深度为 3.44 微米。硅柱（方形环）清晰且垂直。SiO2 硬掩模层大约剩余 379 纳米。在图 S3(b) 的背面，刻蚀深度从 3.27 微米变化到 3.74 微米，平均刻蚀深度为 3.50 微米。硅柱（方形环）同样清晰且垂直。SiO2 硬掩模层大约剩余 390 纳米。因此，两个面上的刻蚀深度可以通过定时刻蚀来精确控制。

图 S3 刻蚀测试晶圆上设计 V5 的刻蚀 Si 超透镜结构的正面（A）和背面（B）横截面 SEM 图像，通过空心方形进行裂解。由于微加载效应，可以看到刻蚀深度随着间隙大小的变化。

在图 S4 中展示了对超透镜的 SEM 检查，该超透镜来自于在相同刻蚀条件下的测试晶圆，SiO2 已被去除，但没有进行 O2 等离子体处理。从这些图像中可以看到，方形环和方形柱定义清晰。可以识别出中央拼接，显示在 x 轴上，底部两个象限存在一些十纳米级别的错位，但顶部两个象限的对准非常好。在拼接接头处有一些环形变形，这归因于曝光场边缘处略低的曝光量。在未来的工作中，可以通过稍微修改拼接边界处的特征或将特征移出拼接边界来纠正这些“接头”。然而，影响可能会非常有限。

图 S4 40毫米超透镜晶圆 V5 的正面 SEM 图像，（a）在超透镜中心的低倍放大，（b）靠近边缘的右上方，（c）中心处的拼接，（d）25° 倾斜，（e）25° 倾斜和25° 旋转，（f）65° 倾斜。对于（a），SEM 条纹为 100 微米；对于（b），SEM 条纹为 1 微米；对于（c）-（f），SEM 条纹为 1 微米。

图 S5 40毫米超透镜（批次 3）背面的 SEM 图像，（a）在超透镜中心的低倍放大，（b）靠近边缘的右上方，（c）中心处的拼接，（d）25° 倾斜，（e）25° 倾斜和 25° 旋转，（f）65° 倾斜。对于（a），SEM 条纹为 100 微米；对于（b），SEM 条纹为 1 微米；对于（c）-（f），SEM 条纹为 1 微米。

这些图像进一步揭示了形成的结构，具有平滑的侧壁。值得注意的是，在某些情况下，最薄方形环的侧壁上形成了孔洞，这可以归因于刻蚀过程中等离子体离子偏转。一般来说，硅刻蚀控制被认为非常优秀。图 S5 中展示的背面结果与正面相似。总的来说，纳米结构定义清晰，包括方形柱、十字柱和方形环柱，且拼接控制非常优秀。

S4. 晶圆两面图案对准验证
其中一个关键技术挑战是对准两个超透镜面，而没有专用的对准标记，因为深紫外光刻系统未配置背面对准。相反，采用晶圆缺口识别通过其自动系统实现对准。我们在两个掩模层的曝光场中心设置了对准测量图案，如图 S6(a) 所示。该图案具有用于4微米误差（4个单位）的游标标尺，适用于X和Y方向。对于大于4微米的误对准，可以通过中心图案的偏移量直接估算。误对准测量是通过我们的MWIR相机进行的，因为硅基板在该波段下是透明的。由于晶圆是手动安装到相机系统中的，因此在大多数图像中观察到标记区域的全局旋转，这与前后错位无关。图 S6(b) 和 (c) 分别显示了在前面A和背面B聚焦时拍摄的典型红外误对准图像。从图 S6(b) 中，我们可以估算出X和Y方向的误对准分别约为21微米和4微米。

图 S6 前后面错位检查，（a）设计布局，（b）聚焦于正面 A 的显微图，（c）聚焦于背面 B 的显微图。

图 S7 显示了晶圆 V4 上不同位置的错位测量。我们可以看到，背面 B 在顶部区域沿 x 方向向右偏移，在底部区域沿 x 方向向左偏移，而在 y 方向上的偏移很小。相同的趋势也出现在另外两个晶圆上，表明存在一些一致的模式。因此，我们得出结论，错位可能是由于大约 0.045° 的旋转引起的。

图 S7 显示了晶圆 V4 上八个不同位置的前后面错位检查。前/后指示了聚焦于晶圆相应面的光学显微图。我们假设这种旋转错位可能是由于工具校准或在晶圆翻转时缺口形状的镜像效应所导致的系统性误差。为了研究是否可以通过旋转偏移来实现更好的对准，我们对 V5 批次的两个晶圆进行了这种修正（顺时针和逆时针方向）。我们对两个晶圆进行了 0.045 度的相反旋转修正，作为第二次曝光的一部分。图 58 显示了没有修正的晶圆（#15），以及进行了旋转修正的晶圆（+0.045°修正的#16，-0.045°修正的#17）的结果。我们在两个方向上测试了旋转修正，以避免对旋转修正方向产生任何歧义。分析了晶圆上四个位置的标记，分别对应左上、左下、右下和右上。

错位最容易通过观察对准标记中心处前后两个十字准线的相对位置来读取。对于良好的对准，十字准线会像在晶圆 #17 左上位置那样对齐在中心。我们发现对于晶圆 #16，错位比未修正的晶圆更大，表明在这种情况下修正应用的方向是错误的。对于晶圆 #17，修正似乎部分有效，且与未修正的晶圆相比，错位误差有所减小。

通过本研究，我们得出结论，一旦识别出误差，就可以修正系统中的系统性错位。我们注意到，每个缺口都由晶圆供应商激光标记，用以识别正面，因此我们可以跟踪所有经过系统的晶圆的方向。目前，我们使用的是来自同一供应商的一种类型的晶圆，不能排除批次之间的差异。因此，今后跟踪对准精度将变得非常重要，以便在不同的制造批次之间建立对这一参数的全面理解，特别是在更换晶圆批次或进行深紫外光刻工具维护后。

图 S8 三个不同晶圆 V5 的前后面错位检查，未修正（#15）和进行旋转修正后的结果，+0.045°（#16）和-0.045°（#17）。

S5. 大面积双面超透镜 V5 和 V6 – 设计与表征
为了比较设计数据库中每个元素在前后两面上的选择概率，图 S9 展示了两面结果。两面具有相似的分布，表明仿真模型已经收敛到每一面上元素选择的相似结果。

图 S9 大面积40毫米直径双波段超透镜 V5 设计空间中各个元素的选择概率，分别为正面和背面。

对于单波段LWIR超透镜设计V6，由于没有MWIR性能的限制，允许重新审视设计空间，如图 S10 所示。我们测试了不同的周期，并发现将周期增加到2.6微米相比于双波段设计中使用的2.2微米周期，性能略有提升。其他方面，选择了一个相似的基于数据的模型，包括空心方形、填充方形和十字形，其中长度和宽度参数分别变化在0.2–2.3微米和0.2–1.0微米之间。随着之前制造过程优化中的轻微改进，我们将可实现的刻蚀深度提高到4.0微米，这使得能够实现更大的光学相位值范围。图 S10A、B 显示了单一超表面的透射率和相位数据。

使用此数据库，我们在 MetaOptics Designer 中设计了 LWIR 双面超透镜 V6，使用与双波段相同的参数，但仅优化单一波长。图 S10C、D 显示了正面和背面的概率图，表明该模型在二维参数空间内收敛到多个明确的波段。

大面积双面超透镜演示器的仿真设计总结在表 S2 中，展示了两个波段中计算得到的 AFE 值。与双波段超透镜的设计性能（49.9% AFE）相比，使用单波段设计的 LWIR AFE 值提高到了69.6%。

图 S10 双面长波红外超透镜的设计空间。A 设计波长为 10 µm 时数据库的透射率和相位。B 大面积 40 mm 直径双波段超透镜 V6 正面和背面设计空间中单个元件的选择概率。

表 S2 大面积双面超透镜演示器的设计参数。

S6. 高通图像去雾滤波器

 图 S11 解释了应用高通增强滤波器进行图像增强的过程。该滤波器可去除超透镜图像中低于 3 线/毫米的特征雾度，并产生更好的对比度，背景特征更加清晰可见。该过程使用 Python 实现，如图 S11B 和 C 所示。首先，通过从原始图像中减去 30 像素的高斯低通滤波器来生成高通滤波图像，从而得到如图 S11B 所示的包含正向和负向贡献的高通图像。高通增强图像如图 S11C 所示，是通过将原始图像添加到高通图像获得的。该处理确保在平坦背景（无高通分量）的情况下保留原始图像，而空间频率高于 3 线/毫米的特征则被锐化。

图 S11 使用 30 像素高斯滤波将模糊和雾度降低到 3 线/毫米空间频率以下的图像处理细节。

S7. 双波段双面超透镜 V4 – 设计和特性

表S2列出了三种双波段双面超透镜设计的细节，用于展示焦距的独立控制。所有透镜的直径均为12.5 mm，设计蚀刻深度为3.5 µm。

表 S3 三种双波段超透镜设计，在 4 µm 和 10 µm 波长下具有不同的焦距。

峰值效率取自图S12-图S14中三个不同透镜的模拟结果。这些结果与正文图3中的结果相对应，但此处分别显示了每个透镜的完整轴上强度图，并以色标表示相对峰值强度占每μm²入射功率的百分比。对光斑区域强度分布进行积分，可得出绝对聚焦效率，如图C和D所示。将光斑直径（感兴趣区域，AOI）从8.8μm增加到52.8μm，可以直观地了解强度的分布情况。AOI尺寸以模拟模型步长2.2μm（等于晶胞周期）的4倍至24倍为单位。

图 S12 A、B 模拟轴上强度分布（彩色图），其中 f4µm = 25 mm 和 f10µm = 20 mm 的透镜设计在中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 波段的最大强度（空心圆）。C、D 8.8 – 52.8 µm 直径圆形目标区域 (AOI) 内的峰值效率（总强度归一化为入射光），适用于中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR)。

图 S13 A、B 模拟轴上强度分布（彩色图），其中 f4µm = 25 mm 和 f10µm = 25 mm 的透镜设计在中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 波段的最大强度（空心圆）。C、D 模拟在直径 8.8 – 52.8 µm 的圆形目标区域 (AOI) 内的中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 峰值效率（总强度归一化为入射光）。

图 S14 A、B 模拟轴上强度分布（彩色图），其中 f4µm = 25 mm 和 f10µm = 30 mm 的透镜设计在中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 波段的最大强度（空心圆）。C、D 中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 波段直径 8.8 – 52.8 µm 圆形目标区域 (AOI) 内的峰值效率（总强度归一化为入射强度）。

图 S15 给出了超透镜设计 V4 的制造细节，展示了正面和背面的两个 DUV 光罩 (A)、用于制造的尼康 DUV 光刻系统和轨道的照片 (B)、最终生产的晶圆正面和背面 (C) 以及背面的详细照片 (D)。

图 S15：用于超透镜晶圆 V4 正面和背面的一对 DUV 光罩。B：用于双面 DUV 光刻制造的 DUV 扫描仪和轨道照片。C：带有直径 12.5 毫米双面超光学元件的晶圆，显示正面和背面。D：放大的光学照片，显示单个写入场，其中包含各种超透镜，本研究中使用了标记为 A、B、C 的透镜。

图 S16 显示了晶圆 V4 的完整光学测量结果。图 S16A 中以示意图形式展示了实验设置，其中 2.1×1.9 mm² MEMS 黑体光源直接通过超透镜成像到中波或长波相机上（顶部/底部设置），或使用黑体光源照射 1951 USAF 测试目标（中间设置）。由于 SiO2 基底阻碍了黑体在该区域的透射，我们无法将 USAF 目标成像应用于长波红外 (LWIR) 装置。中波红外 (MWIR) 相机匹配的成像镜头为 Janos Nyctea 50mm，长波红外 (LWIR) 相机匹配的成像镜头为 FLIR T197922 成像镜头。图 S16B-D 展示了三种超透镜在不同光谱带滤波器下的图像。图 S16C 显示了黑体光源的细节，其中右下角在 MWIR 上成像，而整个区域在 LWIR 上成像，视场的差异是由于两种设置中的成像光学系统不同造成的。

图 S16 A：使用黑体光源或 1951 USAF 分辨率目标直接成像测量焦距的三种不同装置的示意图。

B、C、D：通过一系列中波红外和长波红外光谱带通滤光片直接成像获得的全套图像，适用于表 S2 中的三种不同超透镜。1951 USAF 目标仅在 3.75 µm 和 4.25 µm 波长下才能测量。

使用波长为 10.8 µm 的 CO2 激光器测量了超透镜 V4 的绝对聚焦效率 (AFE)。图 S17A 展示了实验装置，其中使用一个 200 µm 的针孔过滤来自非聚焦背景的聚焦光。为了防止损坏非制冷传感器，焦点成像到长波红外相机上，使用一组中性密度滤光片对光束进行强衰减。图 S17B 显示了三种不同超透镜的焦点，焦点在相机上的聚焦约为 2-3 个像素。使用相同的装置，将针孔放置在焦平面上并对准以传输激光点。对准后，将光功率计放置在针孔后方以测量透射功率。将该功率归一化为不带针孔和超透镜的入射功率，以获得如图 S17C 所示的 AFE。实验获得的AFE值约为25%，而模拟值在该波长下为30%-35%，这表明超透镜的性能与设计合理一致。

图 S17 A：使用 10.8 µm 波长的 CO2 激光器测量绝对聚焦效率的装置示意图。B：使用长波红外相机拍摄的由消色差聚光光学元件制成的超透镜产生的焦点图像，以及位于聚光透镜焦平面上的针孔表面图像。比例尺为 200 µm。C：使用放置在针孔后的功率计通过实验确定的绝对聚焦效率，并与 10.8 µm 和 10 µm 波长（设计最大值）下的模拟设计性能进行比较。

S8. 南安普顿大学徽标测试样品成像

大学徽标测试样品的细节如图 S18 所示。徽标测试样品采用变换矩阵法设计为三层堆叠结构（图 S18A），峰值发射率（吸收率）为 4 µm。该堆叠结构由 80 nm Al:ZnO、1000 nm SiO2 和 100 nm Al（作为背反射层）组成。Al:ZnO (AZO) 采用原子层沉积法生长，以 TMA、DEZ 和去离子水为前驱体，TMA:DEZ 循环比为 1:24，生长温度为 250 oC。SiO2 和 Al 采用 Helios 溅射系统生长。

详细的工艺信息可参见我们之前的出版物《Sun et al. Adv. Mater.》。

2020, 2001534。红外响应由 FTIR 系统测量，得到图 S18C 所示的发射率光谱，测量位置详见图 S18B。

图 S18 大学标志结构和红外响应。（a）高导电性 Al:ZnO 在 Al 上的 SiO2 上的三层堆栈，（b）标记位置的热成像，（c）在标记位置测量的发射率光谱，在 140 oC 下呈现黑体光谱。

图 S19 展示了用于对加热测试物体进行成像的实验装置，适用于长波 (A) 和中波 (B) 波段。红外相机距离测试样品约 42 cm。对于长波装置，混合光学堆栈由直径 25 mm 的 BaF2 折射透镜和直径 40 mm 的超透镜组成，它们独立安装。BaF2 光学元件安装在直径 2 英寸的镜筒中，超透镜安装在直径 42 mm 的 T 型接口镜筒中。两个镜筒相互滑动，形成一个紧凑的可调光学系统，其相对位置由两个手动平移台控制。BaF2 光学元件的位置非常靠近长波红外相机，估计距离焦平面阵列约 15 mm，这是由于非制冷相机能够很好地靠近焦平面阵列。对于中波设置，冷却型 InSb 热像仪 CEDIP/FLIR SC7300 Titanium 具有一个入口受限的冷室，因此无法使用混合折射和超表面配置。在这种情况下，超透镜单独以单重态配置使用。

图 S19 在 140 oC 下对 Logo 测试目标进行成像的实验装置。(a) 长波成像装置采用 FLIR A655sc LWIR 相机，混合光学系统由 BaF2 折射透镜和超透镜组成（插图中显示超透镜的正面），并垂直安装加热板，样品用铜带固定。(b) 中波成像装置采用 CEDIP/FLIR Titanium 相机和超透镜（无 BaF2 折射透镜）。

S9. 混合超光学和折射复合透镜

为了全面评估混合超透镜-折射BaF2结构的性能，我们仅使用未配备折射光学元件的超透镜对目标物体进行了相同的长波红外成像。图S20A和B分别展示了双波段（A）和仅长波红外（B）超透镜的结果。两种超透镜的图像均不清晰，且大学徽标上的对比度非常低。铜带的轮廓也不太清晰，相邻铜条之间的发射线模糊不清。我们将这种差异归因于超透镜在整个波段范围内缺乏色差校正，因此与混合超透镜-折射光学系统（其结果在正文中展示）相比，其性能更佳。

图 S20 对于没有 BaF2 混合排列的单线态超透镜、双波段超透镜（V5）和 LWIR 超透镜（V6），加热到 140°C 的目标物体图像。

S10. 双波段超透镜的附加成像

我们已经使用 MWIR/LWIR 相机对已制造的 40 毫米双波段超透镜 V5 进行了实际成像测试。对加热至 150°C 的烙铁进行了 MWIR 成像，黑体辐射位于 MWIR 波段，如图 S21a 所示，并与相机的原始 Nyctea 成像镜头（图 S21b）进行了比较。超透镜成像清晰地显示了烙铁细节。与原始 Nyctea 镜头成像相比，超透镜图像略显模糊。这是由于超透镜的色差造成的。

对人手进行了长波红外成像，图 S22 显示了 40 mm 双波段超透镜 (a)、商用 CaF2 透镜 (b) 和商用 BaF2 透镜 (c) 的图像。这两个折射透镜的直径均为 25 mm，焦距为 50 mm，f 数为 F/2。这三个单透镜各自都存在较强的色差，其中 CaF2 透镜的色散高于 BaF2 透镜。为了更好地控制色差，我们采用了一种复合系统，该系统由一个超透镜和一个 CaF2 或 BaF2 透镜组成，用于像差校正，所得图像如图 S22 所示。超透镜/CaF2 混合透镜（图 S22a）在长波红外波段可提供高质量的图像，其视场比单个 F/2 单透镜大约大 2 倍。使用金属透镜/氟化钡混合材料组合（图 S22b）也观察到了类似的改进，由于氟化钡透镜的整体透射率更高，因此实现了更高的信噪比。图 S22c 显示了使用金属透镜/氟化钡混合材料在 150°C 下拍摄的烙铁的长波红外图像。这些实际成像表明，该复合解决方案可以有效地校正金属透镜像差，并提供良好的成像效果。

图 S21 使用双波段超透镜 V5（a）和 Nyctea 50 mm 镜头（b）通过 InSb 相机对距离相机 1 米处的 150 °C 烙铁进行中波红外成像测量。\

图 S22 (a-c) 使用单透镜对双波段超透镜 (a)、CaF2 透镜 (b) 和 BaF2 透镜 (b) 进行长波红外成像测量。(d-f) 使用超透镜-CaF2 混合物 (d)、超透镜-BaF2 混合物的复合系统成像。(a-e) 中的手在所有图像中保持相同的位置和距离。(f) 使用超透镜-BaF2 混合物对 150°C 烙铁进行的长波红外图像。

S11. 户外长波红外演示

户外演示中，长波红外摄像系统朝向一个场景，场景中物体距离为 10 至 150 米，如图 S23A、B 所示。图 S23A 展示了南安普顿大学 Highfield 校区的局部地形，

其中摄像机位于 46 号楼的一角，指向 40 号楼的方向。图 S23B 的光学照片显示了 40 号楼的立面，距离约 150 米，屋顶清晰可见。由于光学图像的拍摄位置比红外演示略高，因此图中看不到人与屋顶的对齐，而从光学平台高度拍摄的红外图像可以更清晰地看到这一点。红外图像经过优化，

最大限度地提高了距离约 25 米的树枝的可见度。图 S23C-F 显示了超透镜 - 折射 BaF2 混合光学系统的原始图像和处理后的图像。

图 S23 A 地图细节，按比例显示地理布局和摄像机位置，人物距离 10 米，树木距离 25 米，屋顶距离 150 米。B 用于户外演示的场景可见光波段照片。

S13. 大面积超透镜的性能测试
透镜性能通过 Teledyne Qioptiq Ltd 使用光学系统制造行业中常用的专业设置进行评估。

LWIR分析

• RMS：RMS量化了整体波前误差，0.042λ表示相较于波长的偏差较为平滑。较低的RMS值意味着较高的光学质量，与斯特雷尔比（Strehl ratio）0.93相一致（见下文）。解释：光学系统具有轻微的残余缺陷。

• Peak-Valley (PV)：PV测量波前误差的极端偏差。对于实验数据，0.28λ的误差略高于仿真值（0.2467λ）。
  实验与仿真：轻微的差异可能表明环境因素、制造误差或对准不准确影响了实验数据。

• Strehl Ratio：斯特雷尔比0.93表示出色的光学性能（理想的斯特雷尔比=1表示光学器件完美无像差）。当SR>0.8时，系统为衍射极限，意味着其性能受基本物理定律支配，而不是由缺陷决定。解释：波前质量允许接近理想的聚焦。

• Astigmatism（散光）：散光代表圆柱形畸变，幅度为0.06λ，方向为-87.1°。这一小值意味着点扩散函数（PSF）的拉长非常轻微。解释：散光对总体误差的贡献很小。

• Coma（像差）：像差会在PSF中引入不对称的畸变，通常由离轴角度引起。0.27λ在153°时表示中等程度的像差贡献。

• Spherical Aberration（球面像差）：球面像差是测量到的最大畸变贡献，值为0.30λ。这是由于光学表面的固有曲率，导致边缘光线与中心光线聚焦不同。解释：球面像差稍微限制了斯特雷尔比。

实验与仿真：实验中的PV（0.28λ）与仿真PV（0.2467λ）接近，表明系统在实际条件下表现可预测。
差异：轻微的偏差可能源自环境因素、材料不均匀性或制造公差。

总结：低RMS（0.042）和高斯特雷尔比（0.93）确认了优异的波前质量。残余误差主要由球面像差（0.30）主导，其次是像差。（0.27），散光的贡献较小（0.06）。实验结果与模拟结果非常吻合，验证了模型的准确性。

图 24：波长 9.24 微米的长波红外 (LWlR) 干涉测量结果，显示了峰谷为 0.2467λ 时的轴上离焦和轴外倾斜，实验结果（左）和模拟结果（右）。

中波红外 (MWIR) 分析。

波长 3.39 微米是由该波长的光源可用性决定的，该波长与超透镜的设计波长相差甚远。测量是通过在焦点处移除/添加功率来完成的。消除焦点处的功率可隔离高阶像差（如散光、彗差和球面像差），这是通过消除主要的曲率效应实现的。这使分析能够集中于残余波前误差，而不受透镜聚焦功率的影响。目的：消除焦点处的功率可简化光学缺陷的评估，因为曲率可以主导波前误差并掩盖更细微的像差。含义：这在计量设置中尤为重要，因为高阶像差是分析的重点，而高阶像差无法通过消除功率来校正。

特意引入离焦，尤其是在使用功率的情况下，可以对非理想条件下的光学行为进行受控测试，从而模拟真实场景或对光学性能进行压力测试。

目的：评估系统像差、斯特列尔比和均方根波前误差在发生错位或离轴效应时的稳健性。

含义：此配置夸大了倾斜、像散、彗差和球面像差的影响，从而深入了解镜头在未正确对准时的性能。

RMS。RMS 波前误差量化了光学波前偏离理想平坦波前的标准偏差。测得的值为 0.051λ，表示偏差最小，表明光学质量较高。意义：对于高性能系统，低于 0.07λ 的 RMS 误差通常被认为是衍射极限，此时系统性能主要由光的衍射而非像差或缺陷决定。

峰谷比。PV = 0.239λ：峰谷比表示最大和最小波前偏差之间的差值。像这样的低 PV 值表明表面或光学缺陷最小。局限性：虽然 PV 提供了光学误差的整体概念，但它不如 RMS 稳健，因为它可能受局部缺陷的影响。

斯特列尔比。斯特列尔比为 0.9024，确认光学系统处于衍射极限，因为它超过了 0.80 的阈值。

图 S25 3.39 μm 波长的 MWIR 干涉测量结果，显示轴上散焦和轴外倾斜，峰谷为 0.2467λ 的实验（左）和模拟（右）。

散光。散光 = 0.56λ（-18.1° 处）。这是一种二阶像差，波前沿垂直轴的曲率不同，导致一个方向上的线条与另一个方向上的线条聚焦不同。这种程度的散光表示中等程度的不对称，这可能是由于镜片缺陷、安装过程中的应力或故意增加的倾斜造成的。

彗差。彗差 = 1.02λ（5.9° 处）。彗差是一种三阶像差，由离轴光线形成彗星状模糊点引起。彗差值相对较高表示明显的不对称，这是由于故意增加的倾斜导致的错位。球面像差。球面像差 = 0.06：当边缘光线（靠近镜片边缘）和近轴光线（靠近中心）聚焦于不同点时，就会出现球面像差。 0.06 的数值表示贡献可忽略不计，表明镜头设计质量较高。

总结：较低的 RMS 值和 PV 值，加上较高的斯特列尔比，表明该镜头具有良好的光学质量，并且接近衍射极限性能。

彗差和像散是残余波前误差的主要因素，这可能是由于故意引入的倾斜导致对准问题造成的。

球面像差可忽略不计，表明该镜头已针对这种高阶像差进行了良好的校正。

S12. 去除坏点和缺陷

在正文中，我们通过用相邻颜色替换图像中的一些小缺陷来去除它们，如图 S26 所示。这些缺陷不包含任何物理信息，所有校正都只是表面的。大约 10 个暗像素的聚集，是由于图 S17 的焦距测量过程中过度曝光导致相机受到 CO2 激光损伤而造成的。

户外成像测试中，成像软件自动生成的小箭头，也以相同的方式手动移除。

图 S26 正文中图像的详细信息 图 4L、M、O、P 去除坏像素和标记之前和之后。